一种具有双分辨率声学传感功能的机器人，用于自主进行管道内部检测

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：A dual-resolution acoustic-sensing robot for autonomous in-pipe inspection

自主管道检测系统基于双分辨率声学传感策略，结合低频声波远程定位与高频超声高精度成像，实现无缆自主巡检，实验验证在1800cm管道中定位误差平均8cm，管道特征分类准确率76%。

　　随着现代生活对油、气、水等流体的依赖日益加深，这些流体通常通过管道进行输送。管道基础设施是重要的投资，设计用于长期稳定运行。然而，特别是在水和污水管道领域，许多管道被忽视，长期处于老化、腐蚀和维护不足的风险之中。这些风险可能导致服务中断，进而带来重大的社会经济影响。因此，定期进行管道检查、维护和修复变得尤为重要。然而，对于埋设的管道设施进行检查存在诸多挑战，维护工作往往只能在重大故障发生后才进行，这种被动的维护方式显然无法满足实际需求。

为了克服这些挑战，研究人员开始探索更为高效、灵活的管道检查技术。其中，基于移动平台的管道内部远程检查机器人成为一种流行的解决方案。这类机器人通常配备高分辨率的摄像头模块和辅助照明系统，用于在管道内部进行可视化检查。然而，传统的视觉检查机器人往往依赖于电缆进行供电、远程控制和数据传输，这不仅限制了其在复杂环境中的应用，还导致了检查过程中的服务中断、高昂的运营成本以及耗时的操作流程。

近年来，人们逐渐意识到视觉检查技术在某些情况下存在局限性，尤其是在需要长时间运行或在恶劣环境下工作的场景中。例如，高分辨率视频数据的处理需要高性能的计算硬件，这对于依赖于电缆的管道检查机器人来说是一个显著的瓶颈。此外，视觉检查技术在管道结构复杂或光线不足的情况下，可能会出现识别不准确的问题。因此，尽管视觉检查机器人在管道检查领域已有数十年的发展，但其在自主检查方面的应用仍然受到限制。

为了弥补这些不足，研究者开始关注其他类型的传感技术，例如电磁传感和声学传感。电磁传感技术，如磁通泄漏（MFL）和涡流（EC）检测，能够有效识别管道表面和亚表面的缺陷，但其应用受限于材料的导电性。相比之下，声学传感技术在管道检查中展现出更大的灵活性和适应性。声学传感可以分为主动和被动两种类型，其中被动声学传感通过捕捉环境中的自然声波来检测异常，如泄漏。然而，这种技术在塑料管道中的应用效果较差，因为塑料材料对声波的衰减性较高。

主动声学传感则通过发射和接收超声波脉冲来检测障碍物。这种技术在管道检查中已被广泛应用，如Kurt、Makro、Telerobot、Tetrix和Lego-EV3等系统。这些系统通常配备超声波距离传感器（UDS），用于检测管道内部的结构变化。然而，尽管主动声学传感能够提供高分辨率的图像数据，其在管道导航方面的应用却受到限制，因为超声波的传播距离较短，且耦合条件较为复杂。

针对这些问题，本文提出了一种基于双分辨率声学传感策略的自主管道检查机器人。该策略结合了低频声波和高频超声波，分别用于长距离的粗略检测和短距离的高分辨率成像。低频声波（Hz级别）具有较长的传播距离和简单的信号特性，适用于管道的粗略定位和导航；而高频超声波（40 kHz）则能够在较短的距离内提供高分辨率的图像数据，适用于管道缺陷的详细检测和分类。通过将这两种声学技术结合起来，该机器人能够在不依赖电缆的情况下，完成自主的管道检查任务，从而减少服务中断，提高检查效率。

在硬件设计方面，该机器人配备了三个主要功能单元：控制单元、运动单元和传感单元。控制单元包括两个微处理器组件，其中一个专门用于电机控制。运动单元配备了四个独立的PID电机和一个四通道电机驱动板，确保机器人在管道内部的稳定移动。传感单元则集成了低频声波传感器和高频超声波传感器，分别负责长距离的粗略检测和短距离的高分辨率成像。通过这些硬件组件的协同工作，机器人能够实现自主导航和精准检测。

在数据处理方面，本文提出了一种动态超声波图像二值化和图像分类策略。通过使用Radon管道变换（RPT），将高分辨率的超声波图像数据简化为参数信息，包括轴向距离（dz）、轴向扩展（Nz）和角非零比（rnz）。这些参数能够有效地描述管道内部的结构特征，为后续的缺陷分类和定位提供依据。实验结果表明，该机器人能够在管道内部实现高精度的定位和分类，平均定位误差仅为8厘米，分类准确率达到76%。

此外，本文还讨论了自主检查逻辑的设计。通过结合低频声波和高频超声波的特性，机器人能够在不同阶段自动切换传感模式，以适应不同的检查需求。例如，在长距离的管道导航阶段，机器人主要依赖低频声波进行定位；而在需要详细检测的阶段，则切换到高频超声波进行高分辨率成像。这种灵活的传感策略不仅提高了检查的效率，还增强了机器人的适应能力。

在实验验证方面，本文构建了一个实验管道设置，包含六段管道、一个90°连接点、一段120厘米的侧向管道和一个检查井。整个实验设置的总长度约为1800厘米，检查起始位置标记在管道网络的最右侧。实验结果表明，该机器人能够有效定位多个管道特征，并在不同类型的管道结构中进行准确分类，包括对齐的管道结构、倾斜的管道结构、堵塞和空管等。这些实验验证了该机器人在实际应用中的可行性。

本文的结构分为七个部分。第二部分详细介绍了所开发的机器人硬件组件。第三部分描述了传感方法，涵盖了低频声波传感和高频超声波成像在管道检查中的应用。第四部分讨论了基于超声波图像的管道特征分类方法。第五部分阐述了自主检查逻辑的设计。第六部分展示了在实验室级别的管道网络检查实验中获得的性能数据。最后，第七部分总结了本文的研究成果，并展望了未来的研究方向。

综上所述，本文提出了一种基于双分辨率声学传感策略的自主管道检查机器人，旨在解决传统管道检查技术在适应性和效率方面的不足。通过结合低频声波和高频超声波的特性，该机器人能够在不依赖电缆的情况下，完成管道内部的自主检查任务，从而减少服务中断，提高检查效率。实验结果表明，该机器人在管道特征定位和分类方面表现出良好的性能，为未来的管道检查技术提供了新的思路和方法。